Воссоздание процессов, являющихся искусственными аналогами процесса фотосинтеза, при помощи которого растения превращают солнечный свет, воду и углекислый газ в биологическую энергию, уже дано является одной из основных целей современной науки. Такие технологии, получившие название "искусственный лист" могут стать ключевыми моментами в решении ряда экологических проблем, помочь в борьбе с изменениями климата и процессом глобального потепления.
И недавно группе инженеров и ученных из университета Иллинойса в Чикаго (University of Illinois Chicago, UIC) удалось разработать новую технологию, которая демонстрирует 100-кратное увеличение эффективности поглощения углекислого газа по сравнению с другими подобными технологиями.
Основа для нынешнего достижения была заложена еще в 2019 году, когда ученые из этого же университета создали первую ячейку искусственного фотосинтеза, подходящую для работы в условиях реального мира, а не только в лабораторных условиях. Созданная ячейка состояла из прозрачной капсулы, заполненной водой и имевшей одну полупроницаемую для воды сторону. Энергия солнечного света, попавшая внутрь капсулы, приводила к испарению воды, которая проходила сквозь мембрану, а обратно затягивались молекулы углекислого газа, которые под воздействием катализатора и солнечного света превращались в молекулы монооксида углерода (CO), который уже сам является низкокалорийным топливом или может быть использован для синтеза более высококалорийного топлива.
В своей последней работе исследователи произвели изменения конструкции ячейки фотосинтеза и использовали менее дорогие материалы для электрически заряженной мембраны, разделяющей пространство ячейки на "сухую" и "влажную" стороны. На сухой стороне ячейки специальный органический состав связывает молекулы углекислого газа, превращая его в концентрированный бикарбонат, слой которого нарастает на поверхности мембраны.
Смена полярности мембраны приводит к тому, что молекулы связанного бикарбоната проходят через мембрану и попадают в водный раствор, где они снова превращаются в молекулы углекислого газа и монооксида углерода впоследствии. Увеличение или уменьшение электрического потенциала на мембране позволяет ускорить или замедлить процесс поглощения углекислого газа, а при найденном учеными самом оптимальном варианте такая ячейка смогла захватывать 3.3 миллимоля углекислого газа в час в расчете на один квадратный сантиметр площади мембраны.
Такой уровень поглощения углекислого газа является рекордным на сегодняшний день, он, как минимум в 100 раз выше аналогичного показателя других подобных систем. При этом, для обеспечения процесса захвата углекислого газа требуется совсем незначительное количество энергии, на инициацию и поддержку электрохимических реакций тратится всего 0.4 килоджоуля в час, что эквивалентно потреблению светодиодной лампочки, мощностью в 1 Ватт.
Согласно предварительным расчетам, стоимость захвата одной тонны углекислого газа при помощи новой системы будет составлять около 145 американских долларов, что вписывается в требования американского Министерства энергетики, согласно которым эта стоимость не должна превышать 200 долларов. Сами ячейки искусственного фотосинтеза имеют достаточно компактные размеры и модульную конструкцию, которая позволит объединить множество ячеек для работы в составе мощных станций улавливания углекислого газа.
"Маленький модуль, размером с домашний увлажнитель, сможет изъять из атмосферы около 1 килограмма углекислого газа в день" - пишут исследователи, - "А установка больших масштабов, состоящая уже из четырех ячеек промышленного класса, сможет захватывать более 300 килограмм углекислого газа в час, перерабатывая дымовые газы или другие промышленные выбросы".